२१ ऑगस्ट रोजी, चीनच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विद्यापीठाचे (USTC) प्राध्यापक एमए चेंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी पुढील पिढीतील सॉलिड-स्टेट ली बॅटरीच्या विकासाला मर्यादित करणाऱ्या इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क समस्येचे निराकरण करण्यासाठी एक प्रभावी धोरण प्रस्तावित केले. अशा प्रकारे तयार केलेल्या सॉलिड-सॉलिड कंपोझिट इलेक्ट्रोडने अपवादात्मक क्षमता आणि गती कामगिरी प्रदर्शित केली.
पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरीजमधील सेंद्रिय द्रव इलेक्ट्रोलाइट्सना घन इलेक्ट्रोलाइट्सने बदलल्याने सुरक्षिततेच्या समस्या मोठ्या प्रमाणात कमी होऊ शकतात आणि ऊर्जा घनता सुधारण्यासाठी "काचेची कमाल मर्यादा" तोडण्याची शक्यता असते. तथापि, मुख्य प्रवाहातील इलेक्ट्रोड साहित्य देखील घन असतात. दोन घन पदार्थांमधील संपर्क घन आणि द्रव यांच्याइतका जवळचा असणे जवळजवळ अशक्य असल्याने, सध्या घन इलेक्ट्रोलाइट्सवर आधारित बॅटरीज सामान्यतः खराब इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क आणि असमाधानकारक पूर्ण-सेल कामगिरी दर्शवतात.
"सॉलिड-स्टेट बॅटरीजचा इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्काचा प्रश्न काहीसा लाकडी बॅरलच्या सर्वात लहान स्टॅव्हसारखा असतो," असे अभ्यासाचे प्रमुख लेखक यूएसटीसीचे प्रो. एमए चेंग म्हणाले. "वास्तविक, या वर्षांत संशोधकांनी आधीच अनेक उत्कृष्ट इलेक्ट्रोड आणि सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स विकसित केले आहेत, परंतु त्यांच्यातील कमकुवत संपर्क अजूनही लिथियम-आयन वाहतुकीची कार्यक्षमता मर्यादित करत आहे."
सुदैवाने, एमएची रणनीती या भयानक आव्हानावर मात करू शकते. अभ्यासाची सुरुवात एका प्रोटोटाइप, पेरोव्स्काईट-संरचित घन इलेक्ट्रोलाइटमधील अशुद्धता टप्प्याच्या अणू-दर-अणू तपासणीने झाली. जरी क्रिस्टल स्ट्रक्चर अशुद्धता आणि घन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये खूप फरक होता, तरीही ते एपिटॅक्सियल इंटरफेस तयार करताना आढळले. तपशीलवार संरचनात्मक आणि रासायनिक विश्लेषणांच्या मालिकेनंतर, संशोधकांना आढळले की अशुद्धता टप्पा उच्च-क्षमता असलेल्या Li-समृद्ध स्तरित इलेक्ट्रोडसह समरचनात्मक आहे. म्हणजेच, एक प्रोटोटाइप घन इलेक्ट्रोलाइट उच्च-कार्यक्षमता इलेक्ट्रोडच्या अणू फ्रेमवर्कद्वारे तयार केलेल्या "टेम्पलेट" वर स्फटिकरूपित होऊ शकतो, परिणामी अणूदृष्ट्या घनिष्ठ इंटरफेस होतात.
"हे खरोखरच आश्चर्यचकित करणारे आहे," असे पहिले लेखक एलआय फुझेन म्हणाले, जे सध्या यूएसटीसीचे पदवीधर विद्यार्थी आहेत. "सामग्रीमध्ये अशुद्धतेची उपस्थिती ही प्रत्यक्षात एक अतिशय सामान्य घटना आहे, इतकी सामान्य आहे की बहुतेक वेळा त्याकडे दुर्लक्ष केले जाते. तथापि, त्यांचे बारकाईने निरीक्षण केल्यानंतर, आम्हाला हे अनपेक्षित एपिटॅक्सियल वर्तन आढळले आणि त्यामुळे घन-घन संपर्क सुधारण्यासाठी आमच्या धोरणाला थेट प्रेरणा मिळाली."
सामान्यतः स्वीकारल्या जाणाऱ्या कोल्ड-प्रेसिंग पद्धतीच्या तुलनेत, संशोधकांनी प्रस्तावित केलेली रणनीती अणु-रिझोल्यूशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी प्रतिमेमध्ये प्रतिबिंबित केल्याप्रमाणे, अणु प्रमाणात घन इलेक्ट्रोलाइट्स आणि इलेक्ट्रोड्समधील एक संपूर्ण, अखंड संपर्क साध्य करू शकते. (एमएच्या टीमने प्रदान केलेले.)
या निरीक्षण केलेल्या घटनेचा फायदा घेत, संशोधकांनी जाणूनबुजून पेरोव्स्काईट-संरचित घन इलेक्ट्रोलाइट सारख्याच रचनेसह अनाकार पावडरला लिथियम-समृद्ध स्तरित संयुगाच्या पृष्ठभागावर स्फटिकरूप दिले आणि संमिश्र इलेक्ट्रोडमध्ये या दोन घन पदार्थांमधील संपूर्ण, अखंड संपर्क यशस्वीरित्या साध्य केला. इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट संपर्क समस्येचे निराकरण करून, अशा घन-घन संमिश्र इलेक्ट्रोडने घन-द्रव संमिश्र इलेक्ट्रोडच्या तुलनेत देखील रेट क्षमता प्रदान केली. अधिक महत्त्वाचे म्हणजे, संशोधकांना असेही आढळले की या प्रकारचा एपिटॅक्सियल घन-घन संपर्क मोठ्या जाळीच्या विसंगतींना सहन करू शकतो आणि अशा प्रकारे त्यांनी प्रस्तावित केलेली रणनीती इतर अनेक पेरोव्स्काईट घन इलेक्ट्रोलाइट्स आणि स्तरित इलेक्ट्रोड्सना देखील लागू होऊ शकते.
"या कामाने एक दिशा दाखवली जी अनुसरण्यासारखी आहे," एमए म्हणाले. "येथे मांडलेले तत्व इतर महत्त्वाच्या साहित्यांवर लागू केल्याने पेशींचे कार्यप्रदर्शन आणखी चांगले होऊ शकते आणि अधिक मनोरंजक विज्ञान मिळू शकते. आम्ही त्याची वाट पाहत आहोत."
संशोधकांचा या दिशेने त्यांचा शोध सुरू ठेवण्याचा आणि प्रस्तावित धोरण इतर उच्च-क्षमतेच्या, उच्च-संभाव्य कॅथोड्सवर लागू करण्याचा मानस आहे.
हा अभ्यास सेल प्रेसच्या प्रमुख जर्नल मॅटरमध्ये "अ‍ॅटॉमिकली इंटिमेट कॉन्टॅक्ट बिटवीन सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट्स अँड इलेक्ट्रोड्स फॉर ली बॅटरीज" या शीर्षकाने प्रकाशित झाला. पहिले लेखक एलआय फुझेन आहेत, जे यूएसटीसीचे पदवीधर विद्यार्थी आहेत. प्रो. एमए चेंग यांच्या सहकाऱ्यांमध्ये सिंघुआ विद्यापीठातील प्रो. एनएएन से-वेन आणि एम्स लॅबोरेटरीतील डॉ. झाउ लिन यांचा समावेश आहे.
(रसायनशास्त्र आणि पदार्थ विज्ञान शाळा)
पेपर लिंक: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
पोस्ट वेळ: जून-०३-२०१९